氨基功能氧化石墨烯的制备(DH-GO)及其对废水中Cr(VI) 的去除效果

李明恩, 冯庆革, 林海英, 胡秋艳, 银昱婧, 黄丽欣, 王道铭, 何玉花, 李明治. 氨基功能氧化石墨烯的制备(DH-GO)及其对废水中Cr(VI) 的去除效果[J]. 环境工程学报, 2022, 16(3): 926-936. doi: 10.12030/j.cjee.202112041
引用本文: 李明恩, 冯庆革, 林海英, 胡秋艳, 银昱婧, 黄丽欣, 王道铭, 何玉花, 李明治. 氨基功能氧化石墨烯的制备(DH-GO)及其对废水中Cr(VI) 的去除效果[J]. 环境工程学报, 2022, 16(3): 926-936. doi: 10.12030/j.cjee.202112041
LI Mingen , FENG Qingge , LIN Haiying, HU Qiuyan , YIN Yujing,  HUANG Lixin ,  WANG Daoming,  HE Yuhua,  LI Mingzhi . Preparation of amino functional graphene oxide (DH-GO) and its performance on Cr(VI) removal from wastewater[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(3): 926-936. doi: 10.12030/j.cjee.202112041
Citation: LI Mingen , FENG Qingge , LIN Haiying, HU Qiuyan , YIN Yujing,  HUANG Lixin ,  WANG Daoming,  HE Yuhua,  LI Mingzhi . Preparation of amino functional graphene oxide (DH-GO) and its performance on Cr(VI) removal from wastewater[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(3): 926-936. doi: 10.12030/j.cjee.202112041

氨基功能氧化石墨烯的制备(DH-GO)及其对废水中Cr(VI) 的去除效果

    作者简介: 李明恩(1995—),男,硕士研究生,1075360224@qq.com
    通讯作者: 林海英( 1987—) ,女,博士,讲师,linhaiying@ gxu.edu.cn; 
  • 基金项目:
    广西自然科学基金面上项目(2020GXNSFAA297011,2018GXNSFBA050008);国家自然科学基金地区项目(22166006)
  • 中图分类号: X703.1

Preparation of amino functional graphene oxide (DH-GO) and its performance on Cr(VI) removal from wastewater

    Corresponding author: LIN Haiying, linhaiying@ gxu.edu.cn
  • 摘要: 本研究通过一步合成法,以二氨基胍盐酸盐(DH)为改性剂,以戊二醛为交联剂,制备了氨基功能化氧化石墨烯(DH-GO)。利用单一变量法优化制备条件后,得到最优参数为:改性时间2.5 h,温度35 ℃,pH=10,m(GO∶DH)=1∶5。通过红外和拉曼光谱、扫描电镜等手段对DH-GO进行了形貌的表征和结构的分析,发现改性材料表面因氨基的引入,导致ID/IG比值变大,表面负载了许多不规则晶状颗粒。批量吸附实验结果表明:pH对材料的性能影响大,这与材料表面的带电情况、Cr(Ⅵ)的主要存在形态相关;当pH为2时,对Cr(Ⅵ)的吸附容量达到最大。吸附在480 min内可达到平衡,符合拟二级动力学、Langmuir等温模型,主要为单层吸热的化学反应,据此可推测25 ℃时理论最大吸附容量为133.16 mg·g−1。高浓度的${{\rm{NO}}_3^{-}} $和Cl并不干扰吸附的进行,但高浓度的${{\rm{SO}}_4^{2-}} $${{\rm{PO}}_4^{3-}} $对吸附会有一定的抑制作用。4次循环再生后DH-GO的吸附容量下降了约10%,仍保持着良好的再生性能。吸附机理主要是氨基官能团与水中的H+结合并质子化后,与带负电的Cr(Ⅵ)产生静电吸引和反应,同时,羧基和羟基的结合作用、比表面能带来的物理吸附也是另一贡献者。以上研究结果可为GO改性材料应用于含Cr(Ⅵ)废水处理提供参考。 
  • 加载中
  • 图 1   DH-GO合成示意图Fig.1 Schematic illustration of  DH-GO synsthesis process  

    图 2  时间、温度、DH投加量和pH对Cr(VI)吸附容量的影响

    Figure 2.  Effects of time, temperature, DH dosage and pH on Cr(VI) adsorption capacity

    图 4  GO、DH-GO和DH的FIIR、Raman、XRD谱图

    Figure 4.  FTIR, Raman and XRD spectra of GO, DH-GO and DH

    图 3  GO和DH-GO的SEM图

    Figure 3.  SEM images of GO and DH-GO

    图 5  初始pH、材料投加量、离子强度对Cr(VI)吸附的影响

    Figure 5.  Effects of pH, dosage and coexisting ions on Cr(VI) adsorption

    图 6  吸附Cr(VI)的动力学曲线、伪一级拟合曲线、伪二级拟合曲线

    Figure 6.  Kinetic adsorption curves of Cr(VI), pseudo first order kinetic curve and pseudo second order kinetic curve

    图 7  Langmuir拟合曲线模型和Freundlich拟合模型

    Figure 7.  Fitting curves by Langmuir model and Freundlich model

    图 8  吸附循环再生

    Figure 8.  Adsorption-desorption cycles.

    图 9  DH-GO和DH-GO-Cr的XPS谱图

    Figure 9.  XPS spectra of DH-GO and DH-GO-Cr

    表 1  DH-GO吸附Cr(VI)的吸附等温线模型参数

    Table 1.  Parameters of the adsorption isotherms for Cr(VI) adsorption on DH-GO

    T/KLangmuirFreundlich
    qm/(mg·g−1)KL/(mg·L−1)RLR12nKFR22
    298133.160.502 70.015 6~0.073 00.987 81.0585.620.861 3
    308132.630.223 40.034 6~0.151 90.990 35.8460.340.961 3
    318160.000.799 20.009 1~0.167 20.994 88.0396.540.941 7
    T/KLangmuirFreundlich
    qm/(mg·g−1)KL/(mg·L−1)RLR12nKFR22
    298133.160.502 70.015 6~0.073 00.987 81.0585.620.861 3
    308132.630.223 40.034 6~0.151 90.990 35.8460.340.961 3
    318160.000.799 20.009 1~0.167 20.994 88.0396.540.941 7
    下载: 导出CSV

    表 2  不同吸附材料对Cr(VI)吸附容量的比较

    Table 2.  Comparison of adsorption capacity of various adsorbents towards Cr(VI)

    吸附剂qm/(mg·g-1)文献
    聚乙烯亚胺改性GO三维复合材料(PEI-GO)38.20[24]
    铁盐浸渍法合成GO基含铁(GO-Fe)31.24[25]
    聚间苯二胺接枝的氧化石墨烯(P-GO)118.34[26]
    氧化石墨烯-壳聚糖复合材料(GO-CS)67.80[27]
    二氨基胍盐酸盐改性GO(DH-GO)133.16本文
    吸附剂qm/(mg·g-1)文献
    聚乙烯亚胺改性GO三维复合材料(PEI-GO)38.20[24]
    铁盐浸渍法合成GO基含铁(GO-Fe)31.24[25]
    聚间苯二胺接枝的氧化石墨烯(P-GO)118.34[26]
    氧化石墨烯-壳聚糖复合材料(GO-CS)67.80[27]
    二氨基胍盐酸盐改性GO(DH-GO)133.16本文
    下载: 导出CSV
  • [1] KUMAR K A S, JIANG S, TSENG W, et al. Effective adsorption of chromium(vi)/Cr(iii) from aqueous solution using ionic liquid functionalized multiwalled carbon nanotubes as a super sorbent[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3(13): 7044-7057.
    [2] GENG J, YIN Y, LIANG Q, et al. Polyethyleneimine cross-linked graphene oxide for removing hazardous hexavalent chromium: Adsorption performance and mechanism[J]. Chemical Engineering Journal, 2019, 361: 1497-1510. doi: 10.1016/j.cej.2018.10.141
    [3] NAUSHAD M, KHAN A M, ALOTHMAN A Z, et al. Adsorption of methylene blue on chemically modified pine nut shells in single and binary systems: Isotherms, kinetics, and thermodynamic studies[J]. Desalination and Water Treatment, 2016, 57(34): 15848-15861. doi: 10.1080/19443994.2015.1074121
    [4] JACOB J. M, KARTHI C, SARATALE R. G, et al. Biological approaches to tackle heavy metal pollution: A survey of literature[J]. Journal of Environmental Managemen, 2018, 217: 56-70. doi: 10.1016/j.jenvman.2018.03.077
    [5] BARCZAK M, MICHALAK-ZWIERZ K, GDULA K, et al. Ordered mesoporous carbons as effective sorbents for removal of heavy metal ions[J]. Microporous and Mesoporous Materials, 2015, 211: 162-173.
    [6] FANG L, LI L, QU Z, et al. A novel method for the sequential removal and separation of multiple heavy metals from wastewater[J]. Journal of Hazardous Materials, 2018, 342: 617-624.
    [7] JEAN E, VILLEMIN D, HLAIBI M, et al. Heavy metal ions extraction using new supported liquid membranes containing ionic liquid as carrier[J]. 2018, 201: 1-9.
    [8] ABDULLAH N, YUSOF N, LAU W. J, et al. Recent trends of heavy metal removal from water/wastewater by membrane technologies[j]. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2019, 76: 17-38.
    [9] HUANG L, ZHOU P, QUAN X, et al. Removal of binary Cr(VI) and Cd(II) from the catholyte of MFCs and determining their fate in EAB using fluorescence probes[J]. Bioelectrochemistry, 2018, 122: 61-68.
    [10] YU S, YIN L, PANG H, et al. Constructing sphere-like cobalt-molybdenum-nickel ternary hydroxide and calcined ternary oxide nanocomposites for efficient removal of U(VI) from aqueous solutions[J]. Chemical Engineering Journal, 2018, 352: 360-370.
    [11] LI F, JIANG X, ZHAO J, et al. Graphene oxide: A promising nanomaterial for energy and environmental applications[J]. Advanced Materials, 2015, 16: 488-515.
    [12] LI X, ZHOU H, WU W, et al. Studies of heavy metal ion adsorption on chitosan/sulfydryl-functionalized graphene oxide composites[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2015, 448: 389-397.
    [13] CHEN L, ZHAO D, CHEN S, et al. One-step fabrication of amino functionalized magnetic graphene oxide composite for uranium(VI) removal[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2016, 472: 99-107.
    [14] SHI Y, ZHANG T, Ren H, et al. Polyethylene imine modified hydrochar adsorption for chromium (VI) and nickel (II) removal from aqueous solution[J]. Bioresource Technology, 2018, 247: 370-379.
    [15] SAHOO S. K, HOTA G. Amine-Functionalized GO decorated with ZnO-ZnFe2O4 nanomaterials for remediation of Cr(VI) from water[J]. ACS Applied Nano Materials, 2019, 2(2): 983-996.
    [16] 龚秀文, 薛秀玲, 陈小奕, 等. 氨基化氧化石墨烯(AGO)的制备及其对六价铬的吸附机制[J]. 环境化学, 2021, 40(3): 851-858. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2019102703
    [17] KIM C, AN S, LEE J, et al. Photoactive Polyethylenimine-coated graphene oxide composites for enhanced Cr(VI) reduction and recovery[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13(24): 28027-28035.
    [18] HSINI A, NACIRI Y, BENAFQIR M, et al. Facile synthesis and characterization of a novel 1, 2, 4, 5-benzene tetracarboxylic acid doped polyaniline@zinc phosphate nanocomposite for highly efficient removal of hazardous hexavalent chromium ions from water[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2021, 585: 560-573.
    [19] KONG D, HE L, LI H, et al. Preparation and characterization of graphene oxide/chitosan composite aerogel with high adsorption performance for Cr(VI) by a new crosslinking route[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2021, 625: 126832.
    [20] KHATRI P. K, CHOUDHARY S, SINGH R, et al. Grafting of a rhenium-oxo complex on Schiff base functionalized graphene oxide: An efficient catalyst for the oxidation of amines[J]. Dalton Trans, 2014, 43(21): 8054-8061.
    [21] 赵博涵, 林海英, 冯庆革, 等. L-半胱氨酸改性氧化石墨烯去除水中Hg(Ⅱ)[J]. 应用化工. 2021, 50(4): 991-996.
    [22] 闫帅欣, 王方, 王中良. 氧化石墨烯对水环境中金属离子的吸附作用研究进展[J]. 环境化学, 2018, 37(5): 1089-1098.
    [23] 陈芳妮, 孙晓君, 魏金枝, 等. 磁性三乙烯四胺氧化石墨烯对Cu^2+的吸附行为[J]. 化工学报. 2016, 5(5): 1949-1956.
    [24] 王丽平, 张明瑜, 黄慧, 等. 三维GO/PEI复合材料的制备及其对六价铬的吸附[J]. 炭素技术. 2016, 35(5): 28-33.
    [25] WANG Q, FENG T, XIONG S. Preparation of GO-based iron-containing and adsorption of Cr in water[J]. Materials Science and Engineering, 2019, 472(1): 12085.
    [26] 涂敏, 匡尹杰. 聚间苯二胺接枝氧化石墨烯的制备及对Cr(Ⅵ)吸附性能研究[J]. 化工新型材料. 2020, 48(12): 185-190.
    [27] WU L, QIN Z, YU F, et al. Graphene oxide cross-linked chitosan nanocomposite adsorbents for the removal of Cr (VI) from aqueous environments[J]. Desalination and Water Treatment, 2017, 72: 300-307.
    [28] FU R B, ZHANG X, XU Z, et al. Fast and highly efficient removal of chromium (VI) using humus-supported nanoscale zero-valent iron: Influencing factors, kinetics and mechanism[J]. Separation and Purification Technology, 2017, 174: 362-371.
    [29] LI R, AN Q D, MAO B Q, et al. PDA-meditated green synthesis of amino-modified, multifunctional magnetic hollow composites for Cr(VI) efficient removal[J]. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 2017, 80: 596-606.
    [30] XING H T, Chen J. H, Sun X, et al. NH2-rich polymer/graphene oxide use as a novel adsorbent for removal of Cu(II) from aqueous solution[J]. Chemical Engineering Journal, 2015, 263: 280-289.
    [31] ZHANG Q, LI Y, YANG Q, et al. Distinguished Cr(VI) capture with rapid and superior capability using polydopamine microsphere: Behavior and mechanism[J]. Journal of Hazardous Materials, 2018, 342: 732-740.
    [32] 彭鑫, 王静蕾, 常金明, 等. 基于壳聚糖的吸附材料在六价铬吸附中的应用[J]. 高分子材料科学与工程. 2021, 37(6): 181-190.
    [33] LIANG X T, FAN X Y, LI R M , et al. Efficient removal of Cr(VI) from water by quaternized chitin/branched polyethylenimine biosorbent with hierarchical pore structure[J]. Bioresource Technology, 2017: 178-184.
  • 加载中
图( 9) 表( 2)
计量
  • 文章访问数:  4422
  • HTML全文浏览数:  4422
  • PDF下载数:  126
  • 施引文献:  0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-07
  • 录用日期:  2022-02-18
  • 刊出日期:  2022-03-10
李明恩, 冯庆革, 林海英, 胡秋艳, 银昱婧, 黄丽欣, 王道铭, 何玉花, 李明治. 氨基功能氧化石墨烯的制备(DH-GO)及其对废水中Cr(VI) 的去除效果[J]. 环境工程学报, 2022, 16(3): 926-936. doi: 10.12030/j.cjee.202112041
引用本文: 李明恩, 冯庆革, 林海英, 胡秋艳, 银昱婧, 黄丽欣, 王道铭, 何玉花, 李明治. 氨基功能氧化石墨烯的制备(DH-GO)及其对废水中Cr(VI) 的去除效果[J]. 环境工程学报, 2022, 16(3): 926-936. doi: 10.12030/j.cjee.202112041
LI Mingen , FENG Qingge , LIN Haiying, HU Qiuyan , YIN Yujing,  HUANG Lixin ,  WANG Daoming,  HE Yuhua,  LI Mingzhi . Preparation of amino functional graphene oxide (DH-GO) and its performance on Cr(VI) removal from wastewater[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(3): 926-936. doi: 10.12030/j.cjee.202112041
Citation: LI Mingen , FENG Qingge , LIN Haiying, HU Qiuyan , YIN Yujing,  HUANG Lixin ,  WANG Daoming,  HE Yuhua,  LI Mingzhi . Preparation of amino functional graphene oxide (DH-GO) and its performance on Cr(VI) removal from wastewater[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(3): 926-936. doi: 10.12030/j.cjee.202112041

氨基功能氧化石墨烯的制备(DH-GO)及其对废水中Cr(VI) 的去除效果

    通讯作者: 林海英( 1987—) ,女,博士,讲师,linhaiying@ gxu.edu.cn; 
    作者简介: 李明恩(1995—),男,硕士研究生,1075360224@qq.com
  • 1.  广西大学资源环境与材料学院,南宁   530004
  • 2.  广西高校环境保护重点实验室,南宁   530004
基金项目:
广西自然科学基金面上项目(2020GXNSFAA297011,2018GXNSFBA050008);国家自然科学基金地区项目(22166006)

摘要: 本研究通过一步合成法,以二氨基胍盐酸盐(DH)为改性剂,以戊二醛为交联剂,制备了氨基功能化氧化石墨烯(DH-GO)。利用单一变量法优化制备条件后,得到最优参数为:改性时间2.5 h,温度35 ℃,pH=10,m(GO∶DH)=1∶5。通过红外和拉曼光谱、扫描电镜等手段对DH-GO进行了形貌的表征和结构的分析,发现改性材料表面因氨基的引入,导致ID/IG比值变大,表面负载了许多不规则晶状颗粒。批量吸附实验结果表明:pH对材料的性能影响大,这与材料表面的带电情况、Cr(Ⅵ)的主要存在形态相关;当pH为2时,对Cr(Ⅵ)的吸附容量达到最大。吸附在480 min内可达到平衡,符合拟二级动力学、Langmuir等温模型,主要为单层吸热的化学反应,据此可推测25 ℃时理论最大吸附容量为133.16 mg·g−1。高浓度的${{\rm{NO}}_3^{-}} $和Cl并不干扰吸附的进行,但高浓度的${{\rm{SO}}_4^{2-}} $${{\rm{PO}}_4^{3-}} $对吸附会有一定的抑制作用。4次循环再生后DH-GO的吸附容量下降了约10%,仍保持着良好的再生性能。吸附机理主要是氨基官能团与水中的H+结合并质子化后,与带负电的Cr(Ⅵ)产生静电吸引和反应,同时,羧基和羟基的结合作用、比表面能带来的物理吸附也是另一贡献者。以上研究结果可为GO改性材料应用于含Cr(Ⅵ)废水处理提供参考。 

English Abstract

  • 铬被广泛用于皮革、纺织、电镀和其他化学工业,当大量含铬废水排放到水体和土壤中时,会严重造成环境污染和危害人类健康[1]。铬主要以Cr(Ⅵ)(CrO42-、HCrO4和Cr2O72-)和Cr(Ⅲ)的形式存在[2]。其中Cr(Ⅵ)毒性更强,加上其较好的水溶性会对水环境造成污染,可诱发癌症和呼吸系统疾病[3]。去除废水中Cr(Ⅵ)的方法包括生物化学法[4]、吸附法[5]、离子交换法[6]、液膜法[7]、膜过滤法[8]、电化学法和化学还原沉淀法[9]。其中,工业中常用的方法为化学还原沉淀法和吸附法。化学还原沉淀法通过加入化学试剂将 Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ),然后调节pH使其在碱性条件下形成沉淀,进而分离沉淀去除Cr(Ⅵ)。这种处理手段能耗低、操作简便且工艺成熟,但其一般用于处理浓度较大的 Cr(Ⅵ)废水,而且需要多步处理才能达到出水标准,在处理的同时还会产生大量的污泥,易造成二次污染。吸附法主要是利用吸附剂的物理吸附和化学吸附性能去除水中Cr(Ⅵ),其吸附剂种类多、应用范围广、成本低、吸附容量大、处理效率高、可选择性地去除重金属,并且可以重复使用[10],所以利用吸附技术去除废水中的Cr(Ⅵ)的研究变得十分有意义。

    氧化石墨烯(graphene oxide , GO)源自于石墨烯合成时衍生的中间产物,是一种新型的材料,含有原子级薄的单分子层,适宜大规模生产,并且具有高比表面积和低质量比容量[11]。此外,GO表面含有各种碳氧基团(C—OH)、环氧基(C—O—C)、羧基(COOH)和羰基(C=O),这些结合位点使GO成能与重金属结合[12],如Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Hg(Ⅱ)。然而GO具有易聚集性,含氧官能团数量有限且没有选择性,不足以有效去除水溶液中的重金属离子[13],对Cr(Ⅵ)的吸附效果并不好。因此,通过改性剂的搭载制备功能化的GO材料,提高对重金属的吸附性能与选择性,才能提升材料的实际应用性。

    众多研究发现,含氨基基团的改性材料对Cr(Ⅵ)有较强的去除能力,其中伯胺或者仲胺基 ,在酸性条件下容易质子化,从而通过静电引力结合铬酸根,达到净化水质的效果[14]。KU等[15]以乙二胺为改性剂,通过有机转化反应和水热法合成了氨基功能化氧化石墨烯复合材料(NH2-GO/ZnO-ZnFe2O4),在pH为4时,对Cr(Ⅵ)的最大吸附容量为109.89 mg·g−1。GONG等[16]以乙二胺盐酸盐作为改性剂,采用水热法制备了改性氧化石墨烯(AGO),在酸性水体中下,AGO主要通过静电引力作用去除Cr(Ⅵ),同时伴有着部分的Cr(Ⅵ)还原。KIM等[17]用聚乙烯亚胺为改性剂制备了一种光活性功能化氧化石墨烯(GO@PEI),能高效吸附/光还原Cr(Ⅵ)。二氨基胍盐酸盐(diaminoguanidine hydrochloride, DH)具有低廉低毒、结构简单的特点,含有大量的—NH2和—NH基团,对Cr(Ⅵ)有较好的吸附能力[18],然而并未见利用DH改性GO材料去除Cr(Ⅵ)的研究,因此,本研究以DH改性GO材料为主体。

    本研究以GO为前驱体、戊二醛为交联剂、DH为改性剂,采用一步合成法制备了氨基改性氧化石墨烯(DH-GO),探讨了不同条件下DH-GO的制备工艺并优化了相关参数;使用扫描电镜(SEM)、红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱仪(XPS)等表征手段分析了DH-GO的表面形貌、化学官能团、晶型及结构组成特征;探讨了溶液初始pH、投加量、吸附时间、离子强度等对Cr(Ⅵ)去除效果的影响,并采用吸附动力学和等温线模型探明了吸附特性,揭示了DH-GO对水溶液中Cr(Ⅵ)的去除机理。本研究可为含Cr(Ⅵ)废水处理技术选择提供参考。

    • 实验试剂:工业级单层氧化石墨烯(GO),二氨基胍盐酸盐(diaminoguanidine hydrochloride)、戊二醛(glutaraldehyde)为优级纯,重铬酸钾(K2Cr2O7),硫酸(H2SO4)、磷酸(H3PO4)和丙酮(CH3COCH3)等试剂均为分析纯,实验用水为超纯水。

      实验仪器:集热式恒温加热磁力搅拌器(DF-101S,上海力辰邦西仪器科技有限公司)、水浴恒温振荡器(SHA-B,上海力辰仪器科技有限公司)、真空冷冻干燥机(LGJ-18,北京松源华兴科技发展有限公司)、紫外可见分光光度计(UV-1800PC,日本岛津公司)、高分辨场发射扫描电镜(Sigma 300,德国蔡司公司)、激光拉曼光谱仪(InVia Reflex,英国雷尼绍公司)、傅里叶变换红外光谱仪(IRTracer-100型,日本岛津公司)、X射线衍射(Rigaku D/MAX 2500 V,日本理学公司)、高灵敏Zeta电位分析仪(NANO ZS90 型,英国马尔文仪器设备有限公司)、X射线光电子能谱仪(Thermo Scientific K-Alpha Nexsa 型,美国赛默飞世尔科技公司)。

    • 材料制备路线如图1所示。将0.3 g GO加入75 ml超纯水中,超声分散、磁力搅拌30 min形成均相的4 g·L−1 GO分散液;将1.5 g DH溶解于75 ml超纯水中,再加入到GO分散液中,并加入300 uL戊二醛,用NaOH溶液调节pH=10,随后水浴加热35 ℃振荡2.5 h,待混合液冷却至室温后抽滤产物,最后将产物真空冷冻干燥48 h。

    • 批量吸附实验步骤如下:首先称取一定质量的 DH-GO加入含Cr(Ⅵ)的溶液中,采用1 mol·L−1的NaOH、HNO3调节反应溶液pH至2,吸附12 h后,溶液经0.45 μm滤膜过滤。采用二苯碳酰二肼分光光度法(GBT 7466-87)测定Cr(Ⅵ)的初始和剩余质量浓度。Cr(Ⅵ)的吸附容量和去除率分别根据式(1)和式(2)进行计算。采用伪一级动力学(式(3))和伪二级动力学(式(4))模拟DH-GO的吸附过程。吸附剂的吸附行为利用Freundlich和Langmuir等温模型进行解释,如式(5)~式(7)所示。以百里酚兰为指示剂、以盐酸标准溶液进行酸碱滴定,氨基的含量根据式(8)进行计算。

      式中:C0Ce分别为Cr(Ⅵ)的初始和剩余质量浓度,mg·L−1qe为Cr(Ⅵ)的吸附容量,mg·g−1Re 为去除率,%;V为Cr(Ⅵ)溶液的体积,L;m为DH-GO的投加质量,g。

      式中:qeqt分别为平衡时和t时刻吸附剂的吸附容量,mg·g−1k1k2分别为伪一级和伪二级动力学吸附速率常数,min−1

      式中:qm为拟合得出的单层饱和吸附容量或最大吸附容量,mg·g−1KL为Langmuir常数,L·mg−1RL为分离常数;KF为Freundlich常数,mg·L−1n为Freundlich系数。

      式中:m为DH-GO的投加质量,g;c为盐酸浓度,mol·L−1V为消耗盐酸溶液的体积,mL;V0为空白消耗盐酸溶液的体积,mL;w为氨基含量,mmol·g−1

      采用扫描电子显微镜(SEM)观察GO和DH-GO的表面形态结构;利用X射线衍射光谱仪(XRD)观察其晶型变化;利用傅利叶红外光谱(FTIR)分析其化学键和官能团种类;利用拉曼光谱分析(Raman)分析其分子结构变化;利用X射线光电子能谱仪(XPS)分析其化学元素和形态;利用Zeta电位分析仪测定其不同pH下表面电位值。

    • 1) DH-GO的制备和优化。本研究采用单一变量法分别依次优化了改性时间、温度、DH的投加量(m(GO∶DH))和pH这4个关键参数,结果如图4所示。在改性时间的优化实验(图2(a))中,DH-GO对Cr(Ⅵ)的吸附2 h内基本达到平衡;而在2~10 h时,吸附容量增加的幅度并不明显。为保证充分改性和考虑时间成本,选择2.5 h为最佳反应时间。在优化改性温度的实验(图2(b))中,随着温度的升高,吸附容量反而下降。在30~40 ℃时,吸附容量最高且较为接近;当温度大于40 ℃后,吸附容量明显下降。据此可推测,温度升高,分子热运动过于剧烈,不利于DH接近并与氧化石墨烯的表面羧基结合反应,故选择35 ℃为最佳反应温度。

      随着DH投加量(图2(c))从质量比1∶0.5增加到1∶4时,吸附容量从99.73 mg·g−1提升至156.17 mg·g−1,显著提高;但当质量比大于1:4时,Cr(Ⅵ)的吸附容量增长缓慢,基本趋于平稳。这是由于DH的用量在一定范围内的增加,可提高材料表面的氨基负载量,但超过一定量后,氧化石墨烯表面的羧基等可结合位点已经饱和,不再接受DH的负载。在兼顾吸附容量与经济效益的前提下,故选择 m(GO∶DH)=1∶5 作为最优的投加量。制备溶液的pH对材料吸附效果的影响如图2(d)所示。可见,随着pH从2增加到10时,吸附容量显著升高,且在pH=10时达到峰值;但pH超过10时,吸附容量下降。这一现象可追溯为:在碱性条件下,氧化石墨烯单层片状结构充满了负电荷,具有较大的静电排斥力,缓解了氧化石墨烯片层间的团聚,增加了改性剂进入片层与GO表面官能团的接触概率,提升了DH对GO的改性程度,但碱性过强(pH>10),DH的结构会受到一定破坏,导致DH-GO的吸附性能下降。综上所述,DH-GO的最佳制备条件为:改性时间2.5 h、改性温度35 ℃、m(GO∶DH)=1∶5、pH=10。

    • 1) SEM表征及分析。如图3所示,原始的GO存在部分剥离的层状堆叠,粗糙、褶皱的片状结构。经 DH改性后,表面仍保持了原本GO的片层结构,但褶皱程度和粗糙程度加深,并负载了许多粗糙和不规则的颗粒,具备了更多的活性位点。

      2) FTIR表征及分析。在GO改性前后的的红外谱图(图4(a))中,均发现了3 427、1 713、1 625和1 051 cm−1有明显的吸收峰,可推测分别是因为—OH的不对称伸缩振动峰、羧基中的C=O双键的伸缩振动、芳香环上的C=C双键伸缩、环氧基团C—O—C伸缩振动峰的特征吸收产生的。上述结果说明GO上具有丰富的羧基、环氧基、羟基等官能团,并与已有报道的结果相符合[19]。改性前后各官能团的位置虽然发生了一定偏移,但主要的特征峰依然存在,证明改性并没有破坏氧化石墨烯基本结构。此外,DH-GO在1 568 cm−1处出现了亚胺伸缩振动的新峰,表明了DH的成功负载[20]。另外,羧基振动吸收峰明显减弱,环氧基团的振动吸收峰减弱,暗示着氨基主要与羧基、少部分环氧基发生了酰胺化反应、亲核取代反应,而成功地将DH引入到GO中。

      3) Raman表征及分析。氧化石墨烯材料的结构特性通常用拉曼光谱图(图4(b))研究,谱图的内部缺陷(D峰)、sp2杂化的碳原子的平面振动峰(G峰)可以为改性前后的GO提供重要的信息。图中D峰和G峰分别位1 361 cm−1和1 588 cm−1处。一般来说,如果ID/IG的比值越高,就表明材料的结构越无序度增加,更有利于污染物的去除。GO的ID/IG比值明显地低于DH-GO。这说明DH经化学修饰成功接枝到了GO片层后,增加了改性材料的表面缺陷,增强了无序度,更有有利于吸附反应的发生和持续进行。

      4) XRD表征及分析。XRD谱图(图4(c))主要表征材料的晶型结构的变化,在2θ为12.07°、42.36°出现了原始GO的特征峰[21]。然而,改性后的DH-GO在12.07°处的特征峰几乎消失,但42.36°依然存在。这说明改性过程中氧化石墨层晶体结构被破环,间距变大,规则幅度下降,结晶程度减弱。此外,DH-GO的谱图中在30.24°、35.56°、53.56°、57.06°、62.57°处出现了新的一系列衍射峰。这可能是由于DH改性GO后,其表面出现了丰富的小颗粒,产生了新的衍射峰。

    • 1)初始pH对Cr(Ⅵ)吸附的影响。不同pH下DH-GO对Cr(Ⅵ)的吸附效果和Zeta电位变化如图5(a)所示。随着pH增大,DH-GO对Cr(Ⅵ)的吸附容量逐渐降低,这与其Zeta电位的变化趋势一致。此结果与不同pH下Cr(Ⅵ)的存在形态和DH-GO的带电状态相关,在水环境中,Cr(Ⅵ)通常以HCrO4、CrO42-和Cr2O72-的形态存在[22]。当在pH=2时,Zeta电位接近正电荷峰值,DH-GO表面上的—NH2和—NH更容易发生质子化,形成带正电的位点(—NH3+和—NH2+),并与阴离子形态存在的Cr(Ⅵ)产生静电作用,对Cr(Ⅵ)的去除率也达到最高。但随着pH的增大,溶液中质子化的氨基官能团随之减少,OH的含量增加,也会占据部分吸附位点,这就导致DH-GO对Cr(Ⅵ)的吸附容量急剧下降。Zeta电位的测定结果显示改性材料的零点电位在2.50,这进一步证明改性基团的成功负载和和低pH下质子化的程度较高,有利于吸附。因此,后续的吸附实验中将溶液的初始浓度pH设置为2.0。

      2) DH-GO投加量对Cr(Ⅵ)吸附的影响。吸附剂DH-GO的投加量决定了含Cr(Ⅵ)废水处理工艺的成本,在Cr(Ⅵ)浓度为50 mg·L−1时,考察了DH-GO投加量为0.1~1 g·L−1时Cr(Ⅵ)对吸附效果的影响,结果见图5(b)。随着DH-GO投加量的增大,Cr(Ⅵ)的去除率迅速增加,且在投加量不低于0.5 g·L−1时稳定在98.40%~99.97%。相反,Cr(Ⅵ)的吸附容量随吸附剂投加量的增大有较为明显的下降趋势。这主要是由于吸附剂用量的增加,可接受Cr(Ⅵ)的吸附位点虽然相应地增多,但是溶液中Cr(Ⅵ)的总量固定,故每单位质量可吸收Cr(Ⅵ)的质量减少。综合考虑吸附容量,去除率和经济效益等因素,选择0.5 g·L−1作为该实验的最优投加量。

      3)离子浓度对Cr(Ⅵ)吸附效果的影响。电镀、制革、颜料、冶金、纺织等行业生产中排放的废水中,存在很多阴离子,由于静电作用或其他去除机制的作用,溶液中的阴离子浓度会影响吸附剂对Cr(Ⅵ)的吸附性能。本研究考察了Cl、NO3、SO42-、PO43- 4种常见的阴离子对 Cr(Ⅵ)吸附效果的影响。如图5(c)所示,4种阴离子对Cr(Ⅵ)吸附效果的影响大小为NO3<Cl<SO42-<PO43-。其中,SO42-和PO43-对Cr(Ⅵ)吸附的影响较大,特别当PO43-的浓度达到80 mg·L−1后,吸附剂的吸附容量快速降低。这是因为Cr(Ⅵ)在pH=2的溶液中主要以HCrO4和CrO42-的形态存在,NO3 和Cl作为单价阴离子,HCrO4和CrO42-和单价阴离子与DH-GO材料表面的吸附位点存在竞争但作用较小;而SO42-和PO43-作为多价阴离子,同等情况下,会通过静电吸引作用下结合更多的活性的吸附位点,导致吸附容量下降得更多。除此之外,PO43-作为多元弱酸根,即使在低pH下,也有部分PO43-极易水解为HPO42-和OH离子,导致溶液的pH随着PO43-的浓度变大而升高,使吸附容量下降低得最多。

      4)吸附动力学研究。吸附时间对Cr(Ⅵ)去除效果的影响如图6(a)所示。随着吸附时间的增加,对Cr(Ⅵ)的去除率先迅速增加后趋于稳定。吸附时间在最初的15 min内,Cr(Ⅵ)的去除速率较快,大约180 min时达到吸附平衡状态,去除率稳定在95%以上。使用实验数据进行动力学拟合的结果见图6(b)和图6(c)。伪二级动力学的可决系数(R2=0.999 9)明显高于伪一级动力学的可决系数(R2=0.901 2),且伪二级动力学模型算得的平衡吸附量(qe,cal=111.11 mg·g−1)与实际结果(qe,exp=106.68 mg·g−1)更接近。因此,DH-GO吸附Cr(Ⅵ)过程以化学吸附为主[23]

      5)吸附等温线研究。以25、35、45 ℃,不同Cr(Ⅵ)浓度的吸附实验数据进行线性拟合,得出的结果如图7所示,对应的相关参数见表1。Langmuir等温方程可决系数整体上高于Freundlich等温方程的。表明Langmuir等温模型能够更好地描述DH-GO对Cr(Ⅵ)的吸附过程,吸附为单层吸附为主导,且25、35、45 ℃下的拟合的最大吸附容量分别为133.16、132.63、160.00 mg·g−1。可见,温度的升高可促进吸附容量的提升,说明吸附过程是吸热反应。

      6)氨基含量的测定。DH-GO上的氨基负载含量对吸附Cr(Ⅵ)的性能有直接的影响。通常带有氨基基团的物质的具有一定碱的特性,可与酸发生反应。根据此原理,经过计算后得出氨基含量为0.118 5 mmol·g−1,表明改性后成功实现了氨基负载。

      7)吸附剂的循环再生研究。本实验采用100 mg·L−1的Cr(Ⅵ)溶液进行吸附,然后用2 mol·L−1 NaOH作为洗脱剂,考察吸附剂的循环使用性能。如图8所示,经过4次循环再生后,DH-GO的吸附容量由49.59 mg·g−1下降到44.19 mg·g−1,仅有10%的下降。这证明了DH-GO具有良好的再生性和可重复使用性,增强了改性材料的实际应用性。脱附的机理推测为:在2 mol·L−1 NaOH的碱性条件下,丰富的OH削弱了DH-GO与Cr(Ⅵ)之间的静电吸附作用,使Cr(Ⅵ)以铬盐的形式脱去;而且OH可占用DH-GO上的吸附位点,使得Cr(Ⅵ)难以接近并吸附。

      8) DH-GO与同类吸附材料吸附容量的比较。表2比较了DH-GO与近期文献中其他同类吸附材料对Cr(Ⅵ) 的吸附容量。很显然,本研究所制备的DH-GO的吸附容量优于已有的同类GO材料,是聚乙烯亚胺改性GO三维复合材料的4倍左右,可与聚间苯二胺接枝的氧化石墨烯相媲美。此外,DH-GO采用的更简单的一步合成法和低廉低毒的改性剂,与同类的GO基材料相比,更具有实际应用潜力。

    • X射线能谱(XPS)分析结果如图9所示。在DH-GO和DH-GO-Cr的全扫谱图(图9(a))可以看出,在285、400和530 eV分别观察到 C1s、N1s 和 O1s,表明DH-GO中存在 C、N和O元素。与DH-GO相比,DH-GO-Cr在576.37 eV和586.13 eV附近出现了新峰,可归因于Cr2p3/2和Cr2p1/2。这表明Cr(Ⅵ)成功地吸附在DH-GO上。从Cr2p的高分辨率光谱图(图9(b))可看出,578.24 eV (Cr2p3/2)和587.4 eV(Cr2p1/2)处的峰对应于Cr(Ⅵ),而576.4 eV (Cr2p3/2)和585.96 eV(Cr2p1/2) 处的峰对应于Cr(Ⅲ),证明吸附Cr(Ⅵ)后DH-GO表面上既存在Cr(Ⅵ)也存在Cr(Ⅲ)[28]。从吸附前后的N1s的高分辨率光谱图(图9(c)和图9(d))中可看出,DH-GO的N 1s处的=N—和—NH分别位于399.4 eV和400.36 eV,DH-GO-Cr的处的=N—、—NH、—N-Cr三个峰分别位于399.2、399.8和398.7 eV[29]。同时,在吸附Cr(Ⅵ)前后,N1s由399.57 eV降至399.24 eV,这进一步说明氨基和Cr(Ⅵ)发生了反应。

      基于上述结果,DH-GO对Cr(Ⅵ)的吸附机理可描述为:在25 ℃和pH为2时,DH-GO表面上的—NH2, —NH和—OH和易质子化形成—NH3+、—NH2+、—OH2+和—COOH2+,使其表面带有正电荷基团[30]。此时,根据Cr(Ⅵ)的形态分布,主要以HCrO4(含量90%以上)和CrO42-的形态存在[31],带负电的Cr(Ⅵ)会通过静电吸引作用被DH-GO吸附。根据DH-GO和GO的实际吸附容量(分别为132.38 mg·g−1和9.04 mg·g−1)可推测,Cr(Ⅵ)的去除主要通过静电作用,少部分Cr(Ⅵ)的去除可能是与改性材料中羧基、羟基反应及其比表面能产生的物理吸附作用所致[32]。同时,由于羟基和胺基团的还原性,一些Cr(Ⅵ)会被还原为Cr(Ⅲ)[33]

    • 1)在所制备的氨基功能化氧化石墨烯(DH-GO)中,氨基主要与羧基发生了酰胺化反应、亲核取代反应将DH引入到GO上,然后细小有晶型的颗粒大量沉积于GO表面,增加了其粗糙度和表面能。

      2)当pH为2时,Cr(Ⅵ)吸附容量最大,吸附在480 min内可达到平衡,单层的化学吸附占主导。25 °C时,Langmuir拟合的理论最大吸附容量为133.16 mg·g−1,优于其他改性的GO基材料。高浓度的NO3和Cl对吸附的影响甚微,但高浓度的SO42-和PO43-会有一定的抑制作用,主要是因为竞争吸附。

      3)氨基改性基团可成功负载在氧化石墨烯上,表面上的氨基官能团质子化后,与带负电的Cr(Ⅵ)产生静电吸引;同时,羧基和羟基的结合作用、比表面能带来的物理吸附也是另一贡献者。

      4)DH-GO经过4次再生循环后,其吸附容量仅下降10%,仍保持着良好的吸附性能。

    参考文献 (33)

返回顶部

目录

/

返回文章
返回